某机场交通中心光伏发电系统并网运行分析

范士兴， 白 贞， 李 艾， 王正龙

(1. 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2. 北京首都国际机场股份有限公司，北京 100621)

0 引言

2017 年，国家能源局发布了《可再生能源发展“十三五”规划》，积极推广与建筑结合的分布式并网光伏发电系统，鼓励在有条件的城镇公共设施、商业建筑及产业机场的建筑、机场屋顶等安装并网光伏发电系统，推动光伏发电在经济性相对较好的领域优先得到发展。 某机场交通中心位于航站楼南侧，顶部为玻璃穹顶，有非常好的采光条件，在顶部设置发电系统将会有非常好的发电效果。

1 光伏发电系统方案

1.1 光伏组件的选择

机场交通中心位于飞行航道上，光伏组件的反光会对航空运行带来危害、影响飞行安全，为此本项目选用反光性能较弱的柔性薄膜组件，以避免光伏组件的反光对航空运行的影响。 薄膜组件相对于其他类型太阳能组件重量更轻、更薄且更加柔软。 薄膜型组件较轻的重量可以满足交通中心玻璃穹顶载荷现状的要求，薄膜组件的柔软性使得其可直接粘接在原有玻璃采光顶上，施工更简单，对原结构不产生任何破坏，保证原主体和玻璃采光顶结构安全。

1.2 光伏发电系统设置方案

根据电力主管部门及建设方要求，本工程光伏发电系统按照“自发自用”“全部就地消纳”“并网不上网”的形式进行建设，因此光伏系统的发电容量需要与现状电力系统的运行容量匹配。 交通中心位于航站楼主进场路前段，需考虑整体的美观性。兼顾考虑上述两点，仅在交通中心屋顶局部布设光伏组件。 其发电系统架构示意图如图1 所示。

图1 光伏发电系统示意图

本工程共设置4 组直流逆变器，每组逆变器接入4 组直流光伏组件串，每组光伏组件串由每32 块光伏组件组成。 每两组逆变器交流输出后在就地先做一次汇流，之后两组交流电源在变电室再做汇流并入变电室低压侧。 每块薄膜型光伏组件额定发电功率210W，直流电压18.4V，逆变器输入直流电压588.8V，输出交流400V。 总发电功率210W×32×4×4 ＝107.5kW，现状光伏发电系统并入的变电室内设置有两台1 600kVA 干式变压器，现状运行的平均负荷率约为20%，最小负荷率10%，变电室低压母线侧设置有无功补偿装置，补偿后的功率因数0.95。 变电室最小负载功率为1 600×10%×0.95＝152kW，最大发电功率为107.5kW，因此本工程光伏发电系统所发电仅为本工程使用，自发自用，不涉及余电上网。

2 接入方案

本工程光伏发电系统采用低压并网运行方式，如图2 所示。 光伏组件输出的直流电源逆变为交流电源后经两次汇流在变电室设置并网柜并入低压配电系统运行。 逆变器出口采用微型断路器保护，汇流箱出口及并网柜均采用塑壳断路器保护。 并网柜内设置有防电力孤岛功能，保证当配电系统无电时光伏发电系统停止发电以防止电击事故。 逆变器交流输出端设置40kVA 隔离变压器用于隔离光伏发电系统中的直流分量。

3 短路运行分析

图2 光伏发电低压接入系统示意图

光伏发电系统在低压侧并网运行，光伏发电系统作为第二路电源的引入必然加大现状配电系统短路容量。 当配电系统发生短路时，光伏发电系统将作为第二路电源同样会对故障点注入短路电流从而加大了配电系统的短路电流。

3.1 三相短路时运行分析

利用E-TAP 软件对配电系统进行三相短路模拟计算，下文进行计算结果演示。

当配电系统发生三相短路时，光伏发电系统通过逆变器向配电系统注入短路电流，其注入的短路电流值取决于逆变器的电流允许输出值。 这是由于当逆变器通过的电流超过其允许输出值时将迅速截断切除短路电流，而逆变器为可控硅类电子元器件，其切断短路电流输出的速度很快且超过了断路器的动作时间。 据此原因光伏发电系统注入配电系统的短路电流值一般按逆变器的允许输出电流值计算，一般情况下逆变器的短路电流输出值为其额定电流的1.2～1.5 倍。 目前，逆变器的电流时间曲线与断路器脱扣器动作的电流时间曲线对比尚无资料。 本工程选用的逆变器短路电流输出值为其额定电流的1.3 倍，如图3 所示为75A。 根据上述计算模型，当低压变配电室母线短路时，光伏系统注入的短路电流为288A(其他各点的短路电流如图3)，而相对配电系统自身的35.866kA 而言，可以忽略不计。

图3 三相短路电流分布

根据上述计算可知配电系统产生短路电流值远远大于光伏发电系统产生的短路电流值，当发生短路时，由配电系统产生的短路电流使得断路器分断跳闸。 但注意此断路器位于光伏发电系统前端，因此系统的短路故障并未消除，光伏发电系统会通过逆变器继续向短路点注入短路电流。 当短路点发生在短路电流达到逆变器允许输出值前，此电流无法被逆变器切除，因此电流的持续时间与人工运维故障切除时间相关，也就是可能存在很长的时间，所以此处的导体选择时应按照逆变器的输出电流时间曲线进行选择。 当远离逆变器时短路电流随着系统阻抗会衰减，因此其他各处导体选择时应该将额定电流与光伏系统引起的短路电流对比，按较大者选择导体截面，而不能简单按照逆变器的输出电流时间曲线选择。 隔离变压器的选择同样需按照逆变器允许输出的短路电流作为其允许的长时间运行电流选择。

由于配电系统引入的短路电流值远远大于光伏系统带来的短路电流值，可以很好地保证并联的两路光伏系统在故障时仅切除故障回路，从而保证无故障的回路可正常发电运行，下文进行举例计算。

如图4 所示，短路点选择在隔离变压器上口，当三相短路发生时，由于其他光伏支路也提供短路电流，使得流过上级断路器(MCCB) 的短路电流(862A)会小于流过本级断路器(MCB)的短路电流为(909A)，而上级断路器整定值又大于本级断路器的整定值，因此正常情况下，可保证本级断路器先分断，从而保证良好的保护选择性。 在本工程中，MCCB 选择长延时整定值125A，瞬动1 000A。 MCB选择为63A 微型断路器，显然微断先分断。

图4 末端短路电流分布

3.2 单相接地短路时运行分析

利用E-TAP 软件对配电系统进行单相接地短路模拟计算，计算模型(图5)中:由于光伏逆变器大多无PE 线，单相接地时其不输出短路电流，仅为正常运行电流。 发生单相接地故障时，短路电流均为配电系统提供，断路器分断后光伏系统无法正常输出，但断路器下口有正常电压。

4 潮流分析

光伏发电系统的引入配电系统电流和功率分布、电压降落都产生变化，需要潮流分析确定光伏系统对配电系统正常运行电压及电流的影响。 同样利用E-TAP 软件对潮流进行计算，如图6 所示。

图5 单相接地短路电流分布

由于本工程设计的光伏系统容量非常小，电流及功率分布如图6 所示，光伏发电系统的引入减少了自电网输入的电能，所有电功率分别从电网及光伏系统流向低压侧用电设备。 根据上述计算分析，光伏发电系统抬高了整个配电系统的电压，尤其是靠近光伏发电侧的电压达到了421V，高电压带来的风险不言而喻，因此本工程将隔离变压器的输出分接头调整为－5%，满足系统电压需求。 引起高电压的原因有以下两点，一是本项目全部采用电缆供电且由光伏设置的位置距低压变配电室较远导致电缆线路很长，而电缆为容性，由此系统引入了一个大的容性负荷；二是本身变电室设置有电容补偿且补偿功率因数达到0.95。 在白天发电量高峰阶段，负载较小且所需无功由现在的补偿电容提供，从而导致光伏系统呈现容性的过补偿状态，从而导致光伏系统侧电压升高。

图6 光伏发电系统潮流分析

5 结束语

随着光伏发电系统建设容量越来越大，光伏发电系统对配电系统的影响也越来越大。 光伏逆变器的时间电流曲线需要更好的和配电断路器进行协调设置，才能保证配电系统可靠运行。